В течение предыдущих четырех дней непрерывного использования оригинал перевода документа «Термический беглый механизм литиево-ионного аккумулятора для электромобилей: обзор», первый автор Xuning Feng. В этой статье в основном собраны некоторые из литературы точек.
1 Силовая литиевая батарея, рост спроса и увеличение плотности энергии параллельно
Долгое время в будущем, по мере увеличения плотности энергии батареи, риск термического утечки будет показывать тенденцию к повышению.
Рисунок 1. Производство EV и литий-ионный аккумулятор для электромобилей.
Рисунок 2. Концепция разработки литий-ионных батарей для чисто электрических транспортных средств: необходимость в увеличении срока службы батареи и подтекста является материалом с более низкой термостабильностью.
На рисунке 2 показана дорожная карта для литиево-ионной батареи для EV. Цель состоит в достижении к 2020 году не менее 300 Вт · кг-1 на уровне батареи и 200 Вт · кг-1 на уровне аккумуляторной батареи, что указывает на то, что электрический Общий диапазон автомобилей может быть увеличен до 400 км и более. Для достижения этой цели материалы катода могут измениться с LiFePO4 (LFP *) и Li'Ni1 / 3Co1 / 3Mn1 / 3'O2 (NCM111) на Ni-обогащенные NCM-катоды. , такие как LiNi0,6Co0,2Mn0,2O2 (NCM622), LiNi0,8Co0,1Mn0,1O2 (NCM811) или оксид богатого лиганом и т. д., и анодный материал, возможно, должен измениться от углерода (включая графит, включая C) Для смеси Si и C.
2 Наблюдение за безопасностью электрических транспортных средств с литиевой батареей с точки зрения вероятности
С вероятностной точки зрения возникает самоиндуцированный отказ литиево-ионных батарей, но на очень низком уровне. Самопроизвольные внутренние короткие замыкания, также известные как спонтанные внутренние короткие замыкания, рассматриваются как возможные причины отказа батареи Boeing 787 (таблица 2 Аварии 4 и 5). Для EV коэффициент самоиндуцированного отказа на уровне транспортного средства может быть рассчитан с помощью P = 1 - (1-p) ^ (mn), где P - частота отказов с учетом m EVs, где каждая батарея EV Группа содержит n ячеек. Возьмем, например, модель Tesla S, n = 7104. Предположим, что скорость самоиндуцированного отказа p 18 650 клеток составляет 0,1 ppm, тогда, когда число EV равно m = 10000, частота отказов P = 0.9992, что указывает на то, что показатель отказов составляет около 1 из 10 000 продуктов. По сравнению с обычными автомобилями (в Соединенных Штатах на 10 000 топливных транспортных средств приходится 7,6 случая пожара на 1300 автомобилей), вероятность аварии EV, по-видимому, высока. Еще немного.
3 Злоупотребление литиево-ионным аккумулятором
Опоры
Под действием внешней силы элементы литиевой батареи и аккумуляторная батарея деформируются, а относительное смещение происходит в разных частях батареи. Это основная внешняя особенность механического воздействия. Основными формами ядра батареи являются столкновение, экструзия и пункция. Рассмотрим уровень аккумуляторной батареи. , также необходимо рассмотреть проблемы с вибрацией.
Отклонение аккумуляторной батареи, вероятно, происходит во время столкновения с автомобилем. Размещение батарейного блока на EV влияет на реакцию батарейного блока во время столкновения «15». Деформация аккумуляторной батареи может привести к опасным последствиям: 1) Диафрагма аккумулятора разорвана и возникает Внутреннее короткое замыкание (ISC); 2) Утечка легковоспламеняющихся электролитов и возможное зажигание. Изучение поведения экструзии аккумуляторных батарей требует многомасштабных исследований с уровня материала, уровня ячейки до уровня аккумуляторной батареи.
В статье кратко излагаются эффекты механических свойств материалов на последствия механических злоупотреблений и различные методы прогнозирования механических злоупотреблений с использованием моделирования компьютерного моделирования. Механическое злоупотребление часто приводит к внутренним коротким замыканиям, внешним коротким замыканиям, утечке электролита и, следовательно, тепловым эффектам. Таким образом, процесс создания модели механического электрическо-термического соединения в компьютерном моделировании является самым близким подходом к модели механического воздействия на литиевую батарею, а также настоятельной необходимостью предсказания теплового убегания. Возможно, разработчик компьютерного моделирования может изучить этот путь. ,
В случае неправильного использования оборудования наиболее опасным является прокол.Когда проводник вставлен в корпус аккумулятора, положительный и отрицательный электроды имеют короткое замыкание.По сравнению с столкновением и экструзией происходит только вероятностное внутреннее короткое замыкание. Выработка тепла во время процесса прокола является более серьезной, что приводит к термическому побегу. Вероятность выше. Раньше прокол считался альтернативным методом испытаний для ISC. Однако повторяемость теста на иглу оспаривается изготовителем батареи. Некоторые считают, что литиево-ионный аккумулятор с более высокой плотностью энергии никогда не пройдет стандарт. Тест на прокол ногтей. Улучшение повторяемости теста на прокол или поиск альтернативного метода испытаний по-прежнему является открытой и сложной проблемой для исследований безопасности ионно-литиевых батарей.
Стоит отметить, что в январе этого года после публикации статьи Национальный стандарт, касающийся злоупотребления машинами, опубликовал проект «Требования безопасности для литиево-ионных батарей для электрических транспортных средств» для комментариев, что указывает на то, что испытание «одиночной иглоукалывания» будет приостановлено. Это должно быть частью «изменения», которое автор предвидит.
Электрическое злоупотребление
Электрическое злоупотребление литиевыми батареями обычно включает внешние короткие замыкания, перегрузку и переразряд. Некоторые из этих форм, скорее всего, перерастут в тепловое убегание.
Внешнее короткое замыкание, когда два проводника с перепадом давления подключены снаружи ячейки, происходит внешнее короткое замыкание. Внешнее короткое замыкание аккумуляторной батареи может быть вызвано деформацией, вызванной столкновением с автомобилем, затоплением, загрязнением проводника или поражением электрическим током во время технического обслуживания. По сравнению с проколом, как правило, тепло, выделяемое внешним коротким замыканием, не нагревает батарею. От внешнего короткого замыкания до теплового разбега важное звено в середине - это чрезмерная температура. Когда тепло, выделяемое внешним коротком замыканием, не рассеивается хорошо, температура батареи По мере того, как он поднимается, высокая температура приводит к термическому выходу из строя. Поэтому отключение тока короткого замыкания или рассеивание избыточного тепла является методом подавления внешнего короткого замыкания от дальнейшего повреждения.
Избыточная зарядка из-за ее полной энергии является наиболее опасным видом злоупотребления электричеством. Тепловая и газовая генерация являются двумя общими чертами процесса перезарядки. Тепло происходит от омиков и побочных реакций. Во-первых, из-за чрезмерной вливания лития, Линейный дендрит растет на поверхности анода. Точка во времени, когда литиевый дендрит начинает расти, определяется стехиометрическим соотношением катода и анода. Во-вторых, чрезмерная деинтеркализация лития заставляет катодную структуру разрушаться из-за выделения тепла и кислорода (выделение кислорода из катода NCA). '38'). Освобождение кислорода ускоряет разложение электролита и генерирует большое количество газа. По мере увеличения внутреннего давления выпускной клапан открывается и начинает вытекать батарея. После того, как активный материал в ячейке контактирует с воздухом, происходит сильная реакция и газ высвобождается. Много тепла. Защита от перегрузки может быть выполнена как от управления напряжением, так и от регулировки материала.
Рисунок 5. Результаты перезарядки TR в коммерческих литиево-ионных батареях.
Несостоятельность перезарядки, несоответствия напряжений между батареями в батарейном блоке неизбежны. Поэтому, когда BMS не сможет специально контролировать напряжение любой отдельной батареи, батарея с наименьшим напряжением будет разряжена. Механизмы злоупотребления сверхразрядом и другие Различные формы злоупотреблений, их потенциальная опасность могут быть недооценены. Во время перерасхода батарея с наименьшим напряжением в аккумуляторной батарее может быть принудительно разряжена другими батареями, подключенными последовательно. Во время принудительного разряда полюс меняет направление и напряжение батареи становится отрицательным. Вызывает перегрев переразряженной батареи. Перераспределенное индуцированное растворение ионов растворенной меди через мембрану и образование медных дендритов с меньшим потенциалом на стороне катода. По мере того, как рост продолжает увеличиваться, дендрит меди может проникать в мембрану, вызывая серьезные ИСК.
Рисунок 6. Overdischarge, внутреннее короткое замыкание из-за растворения и осаждения медных токоприемников
Горячее злоупотребление
Локальный перегрев может быть типичным случаем термических злоупотреблений, возникающих в аккумуляторной батарее. Термические злоупотребления редко встречаются независимо и часто развиваются из-за механических злоупотреблений и злоупотребления электрическим током и в конечном итоге являются прямым спусковым механизмом для термического утечки. В дополнение к механическим / электрическим В дополнение к перегреву, вызванному злоупотреблениями, перегрев может быть вызван разрыхленными контактными соединениями. Подтверждено ослабление соединения аккумулятора. Термическая нагрузка также является симуляцией в настоящее время. Используйте устройство для управления нагревом батареи, чтобы наблюдать ее реакцию во время нагрева. ,
Внутреннее короткое замыкание
Внутреннее короткое замыкание, прямой контакт положительного и отрицательного электродов батареи, разумеется, степень контакта различна, и в результате последующая реакция также очень различна. Обычно крупномасштабный ISC, вызванный механическим и термическим воздействием, напрямую вызывает TR. Напротив, внутреннее саморазвитое внутреннее короткое замыкание , В меньшей степени он генерирует мало тепла и не вызывает сразу TR. Скорость высвобождения энергии зависит от степени разрыва диафрагмы и времени от ISC до TR. Предполагается, что спонтанный ISC получен из производственного процесса. Загрязнение или дефекты. Для возникновения загрязнений / дефектов в спонтанные ISC требуется несколько дней или даже месяцев. Механизм при длительной инкубации довольно сложен.
Рисунок 8. Трехступенчатое внутреннее короткое замыкание.
4 Обзор цепных реакций при схемах теплового выгорания и энерговыделения
Механизм TR можно объяснить цепной реакцией, показанной на рис. 9. Как только температура повысится аномально в условиях злоупотребления, химические реакции будут происходить один за другим, образуя цепную реакцию. Цикл тепловой температуры (HTR) Основная причина цепной реакции: должно быть ясно, что аномальный нагрев вызывает повышение температуры клетки и инициирует побочные реакции, например разложение SEI. Боковая реакция высвобождает больше тепла и образует цикл HTR. Цикл HTR циркулирует при чрезвычайно высоких температурах до электричества. Ядро испытывает TR.
На рисунке 9 показан механизм цепной реакции литиево-ионной батареи с использованием NCM / графитового электрода и сепаратора с керамическим покрытием на основе PE в процессе TR 70. Во время всего повышения температуры SEI разлагается, реакция между анодом и электролитом, Плавление матрицы PE, разложение катода NCM и разложение электролита происходят последовательно. Как только керамическое покрытие сепаратора разрушается, большое количество внутренних коротких замыканий мгновенно высвобождает электрическую энергию батареи, заставляя TR загорать электролит. Рисунок 9 является всего лишь механизмом цепной реакции во время TR Качественная интерпретация. Для количественного определения петли HTR цепной реакции необходима соответствующая термодинамика различных компонентов.
Основываясь на ранее рассмотренном механизме TR 33, 63, 71, мы представляем графическую иллюстрацию механизма цепной реакции во время TR, называемую диаграммой энерговыделения. Эта схема энерговыделения, впервые предложенная в литературе, используется для количественного рассмотрения развития теплового побега. Процесс определения термических условий убегания.
Рисунок 9. Качественное объяснение цепной реакции при тепловом убегании.
Схема энерговыделения подробно описана следующим образом:
В качестве примера рассмотрим разложение LFP электролита. К основным особенностям химической реакции относятся характерная температура, тепловая мощность (Q), которая представляет скорость высвобождения тепла и энтальпию (Δh), а 焓 представляет собой общую энергию, выделяемую во время реакции. Характерные температуры включают реакцию Температура (Tonset), Пиковая температура (Tpeak) и Терминация температуры (Тенденция). Ось X на рисунке 10 показывает характерную температуру, поэтому зона реакции находится в определенной области в горизонтальном направлении. Существует холмистая область с цветом (зеленый означает LFP. Определена химическая кинетика реакционного разложения LFP и электролита. Форма горной области однозначно определяется Tonset, Tpeak, Tend и Q. Q определяет высоту области холма, а Δh определяет вертикальное положение горы. Согласно легенде, все Химическая кинетика может быть изображена на диаграмме энерговыделения на рис. 10, где можно сравнить кинетику всех различных реакционных процессов.
Необходимо подчеркнуть предположение: эта схема энерговыделения предназначена для 100% -ной ячейки SOC, а разложение анодного и катодного материалов рассматривается в сочетании с электролитом.
Рисунок 10. Схема энерговыделения литиево-ионной батареи.
5 Повысьте сопротивление батареи тепловому бегству
В процессе термического разгона, что происходит с анодом, что происходит с катодом, и как диафрагма разрушается до плавления, вызывая крупномасштабное внутреннее короткое замыкание. Подробнее см. (Продолжение, продолжение 4).
Обсуждается вопрос о том, как предотвратить утечку тепла из-за катастрофических последствий. Из описания аспектов повышения безопасности трех основных компонентов электродных материалов, электролитов и сепараторов описаны различные способы модификации электродов, электролитные добавки и новые электролитные системы и более безопасные сепараторы. Тип (продолжение).
6 Уменьшите риск термического утечки
В предыдущей статье «Надежность конструкции конструкции батарейного блока питания, абсолютно существуют способы, которыми вы не обращали внимания (полностью)», безопасность, связанная с конструктивным дизайном, большая часть Это также с точки зрения предотвращения распространения термического утечки. В статье «Термический беглый механизм литиево-ионного аккумулятора для электромобилей: обзор» по материалам энергосбережения конкретно поднимает вопросы об эвакуации. Время эвакуации автомобиля составляет менее 30 секунд, а время эвакуации автобуса длиной 12 метров составляет 5 минут. Гарантируется, что такое время эвакуации зарезервировано в какой-то степени, чтобы гарантировать, что во время аварии никто не окажется в ловушке. Поэтому серьезный TR составляет 5 Не разрешается распространяться в течение нескольких минут ». Этот номер может служить количественной ссылкой на нашу безопасность проектирования системы.
7 Резюме
В литературе содержится всесторонний обзор механизмов термического утечки коммерческих литиево-ионных батарей, используемых в электрических транспортных средствах, и вводится текущие результаты исследований по явлениям теплового бегства, причинам и стратегиям преодоления. Нарушения включают в себя механическое злоупотребление, электрическое злоупотребление и термические нарушения. Наиболее распространенные особенности всех условий злоупотребления. Термический беглец следует за цепным реакционным механизмом, в котором реакции разложения материалов компонентов батареи происходят один за другим. Предложена кинетика энергии реакции всех материалов аккумуляторных компонентов. Для объяснения механизма цепной реакции во время теплового выгорания был предложен новый тип диаграммы энерговыделения, в котором были использованы два случая для дальнейшего выяснения взаимосвязи между внутренним коротким замыканием и тепловым бегством. Наконец, была предложена трехуровневая концепция защиты, которая помогает снизить риск термического утечки.
